得益於穿戴式監測裝置攜帶的便利性，其應用正逐漸普及於市場，數位健康革命正式啟動。這些裝置能夠幫助長期和慢性疾病患者在日常生活中進行健康監測，進而比以往任何時候都可以更加方便地提供高水準護理。然而，為這些裝置提供長時間供電，但又不能使用大體積電池，這給設計師帶來極大挑戰。
與大多數「技術型」裝置一樣，每一世代穿戴式裝置都比上一世代產品具有更多功能和特性。由於更多功能需要更多功率，通常會加劇對電源的挑戰。在穿戴式裝置中，不可能增大電池尺寸，因為這會增加裝置整體尺寸和重量，對所有用戶都不便利，並且可能使佩戴裝置的老年患者或嬰兒承受更大負擔。同樣不能接受縮短兩次電池充電間隔時間，因而餘下唯一選項是找到更智慧方法管理裝置所用電源。
完整系統設計
穿戴式醫療裝置儘管體積很小，但卻是一個功能完整系統，包含所有基本元素。典型穿戴式醫療裝置包括微控制器(MCU)、電池、感測器、無線通訊介面與軟硬體結合的安全保證。每項技術也各司其職地發揮作用，例如MCU用於運作程式/韌體，並管理和處理資料；感測器負責蒐集待監測物理數據資料，有可能為心率監測器(Pulse Meter)或葡萄糖監測儀，也可能是加速度計或陀螺儀等通用感測器；無線通訊介面則大多為低功耗的聯網技術，例如藍牙低功耗(BLE)或近場通訊(NFC)；最後，保障裝置能具備足夠電力運作，以及安全的保證，將所有資料加密傳輸，並防止惡意干擾韌體等，都是建構一套完整穿戴式系統設計的重要項目。
所有醫療監測裝置都有特定用途，即便是一個監測生命體徵參數之通用健身帶亦是如此。監測裝置用途決定了要選擇何種MCU和感測器，尤其是量測精度、可靠性和重複性等參數。單次電池充電後可以維持的監測時間長度也會影響元件選擇，在某些狀況下，需要採用超低功耗元件。MCU是系統核心，整合了包括感測器和其他元件在內所有周邊元件。在許多狀況下，系統在體系架構上通常將周邊裝置分組或分域設計，有些域或組在不需要時可以斷電。例如，系統僅在傳輸資料時才需要射頻部分，或者某個特定感測器可能每分鐘讀取一次資料，可以在中間未操作期間斷電。
電池
近年來電池技術得到了一定發展，原有電池化學物質得到改進，新化學物質也在不斷開發。在穿戴式裝置中最常見電池類型是鋰離子電池，一個單元可產生3.2V到4V電壓。雖然鋰離子聚合物(Lipo)電池已經用於某些穿戴式產品，但由於鋰離子電池具有較高儲存容量和環境相對友善特性，因而仍舊是首選電池。
然而，無論電池技術如何發展，其物理定律依然適用。鋰離子電池儲存容量與其物理尺寸之間存在很強關聯，在大多數空間受限設計(如穿戴式裝置)中，由於電池尺寸限制，為裝置提供長時間電力之能量相對較少。為了改善這種狀況，人們正在繼續研究新材料和技術。多項研究表明，石墨烯有可能大幅度提高單位體積電池容量。另一種技術是超級電容器，這種途徑近來受益於奈米技術發展。
超低功耗MCU
為了設計一種現代穿戴式裝置，設計師們正在選擇功耗盡可能低的MCU。當下被認為最高階MCU在操作時消耗電流明顯小於1mA，而在睡眠模式下只消耗幾個nA電流。除了自身功耗外，由於MCU還需要控制周邊裝置能源供應，因此它在系統整體功耗中起著至關重要作用，目標是確保不浪費任何寶貴電池容量。
例如Maxim超低功耗MCU(MAX32660)在性能和效率之間達到平衡，使其成為穿戴式裝置設計理想之選。此MCU基於32位元Arm Cortex-M4內核，包括一個浮點單元(FPU)處理器，以及用於感測器和其他裝置之周邊管理功能。此款MCU可以控制外部儲存裝置，允許開發和運作高級處理演算法(圖1)。
圖1 MAX32660功能框圖
資料來源：Maxim
另一家為醫療穿戴式裝置提供多種超低功耗32位元MCU的供應商是微芯(Microchip)，該公司SAM系列包括基於Arm Cortex-M0+技術之小型SAM D MCU、基於PIC32MX XLP的高性能MCU，以及SAM L系列超低功耗元件。在休眠模式下，這些高能效元件僅需200nA電流，而在活動模式下，所需電流小於35µA/MHz。
芯科科技(Silicon Labs)的EFM32 Giant Gecko Arm Cortex-M3是另一款面向醫用穿戴式裝置32位元MCU。此元件包括有自主低能耗周邊裝置，例如用於增強安全性的AES加密、一個用於通訊的UART、一個低功率感測器介面和整合運算放大器(圖2)。
圖2 EFM32功能框圖
資料來源：Silicon Labs
不再仰仗電池
在醫療應用中，由於患者可能會忘記給電池定期充電，這意味著此時裝置可能無法對患者進行監測，因而電池技術是一個很大挑戰。在某些狀況下，可能會讓護理者承擔充電責任，但這為醫療系統增加進一步負擔。出於這些緣由，醫療產業中基於電池的醫療監控裝置應用進展緩慢，使製造商開始為穿戴式裝置供電尋找其他替代方案。
能量收集技術不再單一仰仗儲存在電池中能量，而是透過利用來自太陽光或熱量，或者佩戴者活動時的運動來產生電力。只要有足夠光/熱/運動，透過這種方式就能夠讓穿戴式裝置無限制運作，而沒有中斷風險。平均每人每天以熱量或者運動方式消耗107J能量，這意味著只要熱量/運動可以轉化為電能，就有足夠能量為小型穿戴式裝置提供電能。
將熱量轉化為電能的原理是塞貝克效應(Seebeck Effect)，倘若兩點之間具有溫差即可產生電壓。在穿戴式裝置場景下，這可以是患者(熱端)和周圍環境(冷端)之溫度差異。用於這種轉換技術是一種基於半導體的珀耳帖電池(Peltier Cell)，它能夠每週7天，每天24小時提供不間斷能量，而不像太陽能光伏那樣，在室內不能很好地運作，在夜間則完全不能發電。
當病人運動時，他們也可產生能量，這種機械運動可以透過壓電元件轉換成電能，壓電元件對於每一個動作(如行走或移動)都會產生一個小電流。Wurth Electronics能量收集解決方案即用開發套件，則可為開發人員提供一種在能量收集領域設計起步的簡單方法。
板上電壓調節
穿戴式裝置通常含有一個板載DC/DC轉換器，即便電源存在某種波動，也能夠確保向系統所有裝置提供恒定電壓。高階DC/DC轉換器通常由MCU控制，能夠管理裝置中所有能量，從而盡可能高效使用這些能量，同時也控制DC/DC轉換器本身不消耗太多電能。 凌力爾特(Linear)(現在亞德諾(ADI)旗下子公司)的LTC3107是一款高整合度DC/DC轉換器解決方案，該元件特別針對能量收集機制而設計，本身非常節省能源。透過結合使用來自熱源收集能量以及電池能量，可顯著延長穿戴式裝置電池壽命，從而降低與更換電池相關成本和不便(圖3)。
圖3 LTC3107典型應用電路
資料來源：Linear
穿戴式醫療裝置未來發展將繼續提供更多功能且體積更小，這都需要創新的電源管理解決方案。雖然更高效使用電池能量是一種顯而易見方法，但是，仰仗高階DC/DC轉換器良好管理，能量收集技術也可以提供許多益處，包括更高便利性。
(本文作者任職於貿澤電子)